采动卸压大孔径长距离定向高位裂隙带钻孔抽采采空区瓦斯技术

摘要：煤层受开采扰动，使得工作面游离瓦斯沿裂隙通道运移，从而聚集于采空区上方“Ｏ”形圈内，制约了矿井的安全生产。因此，工作面采空区瓦斯治理是瓦斯综合治理不可或缺的一部分。

关键词：大孔径；长距离定向钻孔；采空区裂隙带；瓦斯抽采技术

前言

近年来，随矿井开采深度的增加及生产强度的加大，煤层瓦斯压力、瓦斯含量及瓦斯涌出量逐渐增加，瓦斯治理难度日益增大。如何有效提高瓦斯治理效果，成为煤矿亟待解决的问题。

1大孔径高位定向钻孔瓦斯抽采原理

采空区顶板岩层充分垮落后，形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。随着采空区的扩大，采空区中部冒落的岩体紧密排布，使得采动裂隙闭合，而四周岩体的关键层下部由于煤壁的支撑作用让裂隙发育区被充分保留，如此形成的“Ｏ”形圈为瓦斯聚集提供了优良场所。顶板高位钻孔起始位置布置于工作面回风巷道内钻场，上仰开孔，平行巷道并向工作面距离煤层顶板一定高度延伸。同时，为保证抽采过程中抽采钻孔不受到破坏以持续抽采瓦斯，钻孔终孔位置应该坐落于一定高度的、离层裂隙丰富且岩层位移相对较小的裂隙带。大孔径定向高位钻孔技术要求使用的钻孔直径大，一般高于φ２００ｍｍ。布置在回采工作面顶板合理层位的大孔径定向高位钻孔，能获取更大的抽采能力，更加有效地拦截上隅角、回风流瓦斯浓度。回采过程能对采动影响区卸压瓦斯进行有效抽采，回采过后也能继续对采空区瓦斯进行抽采，不仅在井下实际抽采效率上取得成效，也对支撑安全生产发挥了有益作用。

2 ZDY6000LD（B）型煤矿用履带式全液压坑道钻机主要特点

ZDY6000LD（B）型煤矿用履带式全液压坑道钻机由中煤科工集团重庆研究院有限公司制造，是一种低转速大转矩、适用于大直径进水平深孔钻进的自行式全液压动力头式坑道钻机，采用胎体式复合片钻头、钢体式PDC扩孔钻头，钻孔三次成孔孔径可达250mm，钻机最大给进/起拔力210kN，最大转矩6000N·m；钻孔深度可达1000/600m。钻机集主机、泵站、操作台、防爆笔记本、流量计、急停开关等于一体，结构合理、技术性能先进、工艺适应性强、操作省力、安全可靠、运输方便。

3 钻孔参数确定

高位钻孔是在风巷向煤层顶板（进入裂隙带）施工的抽采钻孔。高位钻孔主要利用采动卸压形成的裂隙作为瓦斯运移通道，通过抽采负压使采空区卸压不断的流向钻孔，通过抽采管路直接抽出，从而解决回采过程中瓦斯超限问题。钻孔布置是否合理，对瓦斯抽采效果起决定作用。

3．1钻孔有效高度的确定

煤层开采后，采空区上覆岩层会形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带嘲。如钻孔布置在冒落带范围内，随着顶板岩体的冒落，钻孔将会严重破坏而失去抽采作用。如钻孔布置在弯曲下沉带，几乎无贯通裂隙带，无法抽采。因此，应将钻孔布置在裂隙带才能取得较好的抽采效果。由于工作面裂隙带范围为煤层上方10倍采高，所以钻孔终孔高度应布置在煤层上方40m。

3．2钻孔深入工作面的的宽度

煤层开采后，采空区中部裂隙逐渐压实，而采空区边缘沿走向和倾向两个方向形成离层裂隙发育区，裂隙发育区连通以后形成了瓦斯运移的通道，即所谓的采动裂隙“O”型圈。在“O”型圈内，离层裂隙和破断裂隙充分发育，为瓦斯运移和富集提供了良好的场所，钻孔布置在此区域可有效提高瓦斯抽采效果。根据工作面实际情况，在走向上采空区两侧“O”型圈的宽度为45m左右，而离层率最大的区域距采空区边缘20m～30m。因此，钻孔在走向上伸入煤体的投影距离最好控制在25m左右。

3．3钻孔布置

结合工作面实际情况，大孔径高位钻孔布置在采煤工作面回风巷，施工后钻孔深人采空区上方裂隙发育区。

3.4钻孔结构

设计钻孔为二级结构，终孔孔径Φ120mm，孔深500m。详细设计如下：

一级孔径Φ250mm，孔深35m，便于下入Φ200mm套管，二级定向孔径Φ120mm至终孔。

套管长度：下入Φ200mmPVC套管深度35m。

4施工工艺

4.1开孔

开孔采用普通回转钻进工艺施工，主要目的是安装孔口管和孔口四通及气水分离器，并连接抽采系统，实现边钻进边抽放，防止钻孔施工过程中瓦斯超限。

先导孔采用“Ф120mmPDC钻头+Ф89mm高韧性外平钻杆”钻具组合，回转钻进至15m，再采用“Ф120mmPDC钻头+Ф89mm孔底马达+Ф89mm无磁钢钻具+Ф89mm通缆钻杆”定向钻进至35m；

二次扩孔采用“Ф153mm/120mmPDC扩孔钻头+Ф89mm高韧性外平钻杆”钻具组合，回转扩孔钻进至35m；

三次扩孔采用“Ф250mm/153mmPDC 扩孔钻头+Ф89mm高韧性外平钻杆”钻具组合，回转扩孔钻进至35m。

下入直径Ф200mm套管35m，并采用两堵一注方式进行注浆固管。

4.2定向钻进

定向钻进主要采用滑动钻进工艺，同时，在钻孔轨迹参数变化较小孔段，可以采取复合钻进工艺。

采用的定向钻具组合为：“Ф120mmPDC钻头+Ф89mm孔底马达+Ф89mm无磁钢钻具+Ф89mm通缆钻杆”施工至设计孔深。

5 抽采效果分析

根据工作面回采情况，目前有4个大孔径高位钻孔钻场的抽采数据。因第一、第二钻场离切眼较近，工作面初次来压对其抽采效果影响较大，故取三、四二个钻场的钻孔数据分析，当工作面距钻场58m～63m以前，抽采浓度为50％左右，而抽采纯量仅为4．9m3／min～12．3m3／min，抽采效果差。当工作面距钻场约60m后，虽瓦斯浓度略有降低，但随着抽采混合量的增高，瓦斯抽采纯量明显升高。从工作面距钻场60m到推过钻场35m范围抽采浓度和抽采纯量始终保持较高，抽采效果显著。此期间平均瓦斯抽采浓度43.21％，平均抽采纯量达13．89m3／min。根据抽采数据分析，可明显看出，高位钻孔抽采瓦斯高纯量抽采步距可达90m，采用ZDY6000LD（B）型煤矿用履带式全液压坑道钻机施工的大孔径高位钻孔抽采效果明显，解决了工作面瓦斯超限问题。

结束语

采用ZDY6000LD（B）型煤矿用履带式全液压坑道钻机施工，通过“先导孔+分级多次钻扩”的施工模式，孔径可达250mm，结合工作面实际情况对钻孔有效高度、深入工作面宽度进行了分析，在此基础上对高位钻孔进行合理布置；抽采结果表明：高位钻孔抽采瓦斯高纯量抽采步距可达90m，平均抽采纯量达13．89m3／min。采用ZDY6000LD（B）型煤矿用履带式全液压坑道钻机施工的大孔径高位钻孔抽采效果明显，解决了工作面瓦斯超限问题。

参考文献：

[1]张志刚，郑志伟，文光才，等．顺煤层平行钻孔抽采瓦斯合理布孔参数的确定方法[J]．矿业安全与环保，2008，35（4）：5—7．

[2]屠锡根，马丕梁．阳泉七尺煤层瓦斯抽放参数计算[J]．煤炭学报。1989（4）：11-20．